Prof. Wojciech Fendler o teście diagnostycznym narażenia organizmu na promieniowanie jonizujące

MJM
opublikowano: 25-02-2021, 10:25

Dr hab. n. med. Wojciech Fendler, prof. UM w Łodzi jest laureatem 9. miejsca w konkursie Złoty Skalpel 2020 r. Został nagrodzony za projekt badawczy, w którym wykazał, że mikroRNA można zastosować jako biomarkery narażenia organizmu na promieniowanie jonizujące (biodozymetry).

Ten artykuł czytasz w ramach płatnej subskrypcji. Twoja prenumerata jest aktywna

Dr hab. n. med. Wojciech Fendler, prof. UM w Łodzi jest kierownikiem Zakładu Biostatystyki i Medycyny Translacyjnej Uniwersytetu Medycznego w Łodzi, a także kierownikiem projektu „Biodozymetria mikroRNA — testy diagnostyczne narażenia na promieniowanie”. Wraz ze współpracownikami wykazał, że mikroRNA można zastosować jako biomarkery narażenia organizmu na promieniowanie jonizujące (biodozymetry).

Członkami zespołu badawczego są także dr Beata Małachowska, dr Bartłomiej Tomasik (Zakład Biostatystyki i Medycyny Translacyjnej, Uniwersytet Medyczny w Łodzi) oraz dr Justyna Chałubińska-Fendler (Zakład Radioterapii - Uniwersytet Medyczny w Łodzi/Zakład Radioterapii - Wojskowy Instytut Medyczny w Warszawie).

Test diagnostyczny narażenia organizmu na promieniowanie jonizujące - ścieżka naukowa

Jak wytłumaczył prof. Fendler, cała inicjatywa badawcza zaczęła się jako projekt z zakresu badań podstawowych, czyli poszukiwania narzędzia, które pozwoliłoby na wykrycie uszkodzenia szpiku kostnego przez promieniowanie.

“Ten projekt rozpoczęliśmy z naukowcami z Bostonu (USA). Tam mój ówczesny mentor naukowy zastanawiał się, czy można za pomocą jakichś narzędzi molekularnych identyfikować uszkodzenie szpiku z powodu dużej przypadkowej, nieprzewidywalnej dawki promieniowania, np. w wyniku uszkodzenia reaktora czy awarii urządzeń do radioterapii" - wyjaśnił prof. Fendler i dodał, że w ramach tego projektu, prowadzonego w latach 2011-2015, zespół badawczy skoncentrował się na modelu mysim.

“W modelu tym bardzo precyzyjna dozymetria pozwalała na rozgraniczenie dawek bardzo wysokich, ale nieuszkadzających szpiku w sposób nieodwracalny, od dawek minimalnie większych, ale powodujących już zgon myszy z powodu uszkodzenia szpiku. Okazało się, że RNA, czyli fragmenty kwasu nukleinowego, można oznaczyć łatwymi, tanimi technikami w surowicy, które pozwalają na zróżnicowanie myszy otrzymującej wysoką śmiertelną dawkę, od myszy, która otrzymała dawkę wysoką, ale jeszcze nie śmiertelną” - powiedział prof. Fendler.

“Jeżeli te mechanizmy powtarzałyby się u wyższych organizmów, takich jak małpy czy ludzie, można by taki test przenieść na grunt medycyny klinicznej i stworzyć narzędzia do efektywnego triażu medycyny ratunkowej" - dodał badacz.

Następie badania zostały przeprowadzone na małpach, a ich wyniki potwierdziły wnioski, które wyciągnięto z badania na myszach.

"Mając już dowody z dwóch modeli zwierzęcych, byliśmy w stanie oszacować, które z mikroRNA podlegają podobnej regulacji w ludzkim genomie [...] Dalsza ścieżka naukowa doprowadziła nas do przewidywania tego, czy wyniki tych badań będziemy w stanie “przenieść” na ludzi pod względem wykrywania śmiertelnego uszkodzenia szpiku, ale też jako marker wrażliwości na promieniowanie, który mógłby być związany z przewidywaniem powikłań radioterapii“ - wyjaśnił prof. Fendler.

MikroRNA biomarkerami narażenia organizmu na promieniowanie jonizujące - pierwszy etap badań, na myszach

Wykorzystanie krążących mikroRNA jako biomarkerów narażenia na promieniowanie stało się osią badań zespołu Zakładu Biostatystyki i Medycyny Translacyjnej w latach 2015-2019. Pierwszy z projektów dotyczył wykorzystania oceny poziomu ekspresji zewnątrzkomórkowych mikroRNA jako narzędzia pozwalającego na szybką diagnostykę napromienienia całego ciała dawką letalną. Przeprowadzone przez prof. Fendlera, wraz profesorem Dipanjanem Chowdhury z Dana-Farber Cancer Institute (Boston, USA), badanie obejmowało model eksperymentalny napromienienia myszy dawką letalną (8 Gy) oraz dawką subletalną (6,5 Gy), która powoduje u tych zwierząt ciężkie, ale odwracalne uszkodzenie szpiku kostnego.

Jak wyjaśnił prof. Fendler, wyniki pracy pokazały, że o ile testy oparte o morfologię krwi obwodowej pozwalają na efektywną diagnostykę napromienienia, odróżnienie zwierząt otrzymujących dawkę 8 Gy od 6,5 Gy było praktycznie niemożliwe w ciągu pierwszego tygodnia od napromienienia. Jednakże ocena ekspresji krążących mikroRNA pozwalała na perfekcyjną separację osobników otrzymujące dawki letalne i subletalne już w ciągu 24 godzin od napromieniania.

Dodatkowo, badania funkcjonalne oraz badanie zdolności napromienionego szpiku do repopulacji przeprowadzone na modelu myszy pozbawionej układu odpornościowego potwierdziły, że wykryte przez zespół badawczy mikroRNA świadczą o letalnym uszkodzeniu szpiku i są najszybszym dostępnym biomarkerem prognostycznym wobec śmiertelnej ostrej choroby popromiennej. Prof. Fendler zaznaczył, że w przypadku tego schorzenia czas odgrywa ogromną rolę, ponieważ decyzje lekarzy muszą być podejmowane możliwie jak najszybciej.

Badacz zauważył, że dotychczas brakowało rzetelnych narzędzi pozwalających na szybkie działania krótko po ekspozycji. Dodał, że z tego powodu możliwość określenia biologicznego efektu promieniowania jonizującego na organizm już po 24 godzinach stanowi olbrzymi postęp w usprawnieniu postępowania diagnostyczno-terapeutycznego.

Wyniki tej pracy zostały opublikowane w czołowym czasopiśmie z zakresu medycyny eksperymentalnej – “Science Translational Medicine”¹ oraz znalazły się na okładce jednego z jego majowych numerów w 2015 roku.

Zastosowanie mikroRNA jako biodozymetrów - drugi etap badań, na makakach królewskich

Kolejnym etapem było badanie przeprowadzone na rzadko stosowanym modelu eksperymentalnym – narażonych na promieniowanie makakach królewskich. Zespół badawczy zdecydował się na wybór tego modelu, ponieważ, z oczywistych względów etycznych, bezpośrednia walidacja ich modelu diagnostycznego napromienienia wysoką dawką nie była możliwa do przeprowadzenia na ludziach.

Aby uzyskać więc dowody wystarczające do podjęcia próby badania na pacjentach poddawanych napromienieniu całego ciała, badacze postanowili, we współpracy z wojskowym instytutem Armed Forces Radiation Biology Institute w Bethesda, przeprowadzić badanie ekspresji krążących mikroRNA u makaków uczestniczących w badaniu nowych leków radioprotekcyjnych. W niniejszym projekcie zwierzęta narażone na dawkę promieniowania potencjalnie śmiertelną zostały poddane profilowaniu ekspresji mikroRNA w surowicy. Zidentyfikowany model diagnostyczny ponownie pozwalał na 100 proc. separację zwierząt napromienionych i nienapromienionych.

Dodatkowo - jak wyjaśnił prof. Fendler - opracowana sygnatura mikroRNA została zwalidowana na drugiej niezależnej grupie makaków, potwierdzając olbrzymi potencjał mikroRNA jako biomarkerów narażenia na śmiertelną dawkę promieniowania jonizującego. Wykorzystanie zewnątrzkomórkowych mikroRNA pozwalało na rozróżnienie makaków, które otrzymały letalną dawkę promieniowania i placebo, od tych, które dodatkowo otrzymały leki radioprotekcyjne, co stanowiło jednoznaczny dowód na to, że krążące mikroRNA odzwierciedlają biologiczny, a nie jedynie fizyczny, wpływ promieniowania jonizującego na organizm.

Oczywiste pytanie, jakie się wówczas pojawiło, to czy mechanizmy regulujące ekspresję mikroRNA w zależności od szkód wyrządzonych przez promieniowanie jonizujące są gatunkowo-specyficzne, czy też zmienne? W tym celu wraz z dr Beatą Małachowską naukowcy przeprowadzili analizę bioinformatyczną konserwacji ewolucyjnej spójnych regionów promotorowych wytypowanych miRNA między myszami, makakami i ludźmi. Badacze zauważyli, że mimo niskiego podobieństwa sekwencji promotorowych, miejsca wiązań czynników transkrypcyjnych wykazywały znaczące podobieństwo, a grupa 7 czynników transkrypcyjnych, związanych z cyklem komórkowym, naprawą DNA i apoptozą, występowała w regionach promotorowych wszystkich konserwowanych ewolucyjnie miRNA.

Wyniki tego projektu ukazały się na łamach “Science Translational Medicine”.²

Zastosowanie mikroRNA jako biodozymetrów u pacjentów poddawanych napromienieniu całego ciała w trakcie przygotowania do przeszczepu szpiku

Praca ta położyła podwaliny pod prowadzone aktualnie przez naukowców badanie na ludziach poddawanych napromienieniu całego ciała w trakcie przygotowania do przeszczepu szpiku. Prof. Fendler podkreślił, że praktyczne zastosowanie mikroRNA jako wskaźników narażenia organizmu na promieniowanie jonizujące (biodozymetrów) przyciągnęło uwagę radioterapeutów, którzy ze zmiennym szczęściem poszukują biologicznych wskaźników efektywności promieniowania i uszkodzenia zdrowych tkanek organizmu w trakcie radioterapii przeciwnowotworowej.

Naukowiec dodał, że znaczne postępy w efektywności leczenia raka płuca skutkują coraz większą dbałością o to, by pacjenci, którym uda się wygrać z chorobą nowotworową, nie doświadczali powikłań ze strony układu oddechowego oraz sercowo-naczyniowego, które są szczególnie narażone na działania niepożądane radioterapii. Z tego względu poszukiwanie biomarkerów pozwalających określić, czy podana dawka promieniowania powoduje znaczne uszkodzenie zdrowego miąższu płuca, stanowi jedno z głównych wyzwań radioterapii onkologicznej.

W projekcie realizowanym wspólnie z dr. Davidem Kozono z Dana-Farber Cancer Institute badacze zidentyfikowali i potwierdzili na grupie polskich pacjentów, wybranych w oparciu o badanie wielkoskalowe, profil biodozymetryczny mikroRNA związanych z uszkodzeniem płuc. Badania na modelu komórkowym potwierdziły pochodzenie tych mikroRNA z narażonej na promieniowanie tkanki zrębu płuca oraz położyły podwaliny pod realizowane aktualnie przez prof. Fendlera badanie nad biomarkerami uszkodzenia mięśnia sercowego. Wyniki opisywanej pracy zostały opublikowane w czasopiśmie “Radiation Oncology".³

Wymienione powyżej osiągnięcia na polu zastosowania mikroRNA jako biomarkerów poskutkowały zaproszeniem prof. Fendlera i prof. Chowdhury do przygotowania pracy poglądowej przybliżającej tematykę biomarkerów mikroRNA w radioterapii. Czasopismo “Translational Research” poddało pracę pełnej recenzji i opublikowało na swoich łamach w 2018 r.⁴

Definitywna weryfikacja przydatności mikroRNA jako biomarkerów narażenia na promieniowanie u ludzi

Przygotowując się do badania definitywnie weryfikującego przydatność mikroRNA jako biomarkerów narażenia na promieniowanie u ludzi, zespół pod przewodnictwem dr Małachowskiej i dr. Tomasika przeprowadził przegląd systematyczny i metaanalizę dostępnych danych na temat zmian poziomu ekspresji zewnątrzkomórkowych mikroRNA w odpowiedzi na promieniowanie jonizujące.

Prof. Fendler wyjaśnił, że projekt ten obejmował na niespotykaną dotąd skalę przekrój rozmaitych modeli badawczych, gatunków poddawanych napromienieniu oraz schematów frakcjonowania. Mimo to, dzięki zastosowaniu odpowiednich narzędzi statystycznych, wyniki wskazały na istnienie kilku mikroRNA o właściwościach biodozymetrycznych, których efekt pozostawał niezmienny bez względu na stosowane dawki, rodzaje promieniowania, gatunki i modele eksperymentalne oraz schematy frakcjonowania radioterapii.

Publikacja ukazała się na łamach “International Journal of Radiation Oncology, Biology & Physics”, będącego głównym pismem Amerykańskiego Towarzystwa Radioterapii Onkologicznej (ASTRO). Praca polskich naukowców została umieszczona na okładce jednego z numerów tego czasopisma.⁵

Zastosowanie mikroRNA jako biodozymetrów - finalny etap projektu

Jak wyjaśnił prof. Fendler, finalnym etapem projektu jest przygotowywane zgłoszenie patentowe testu diagnostycznego opartego o mikroRNA, pozwalającego wykryć narażenie na niskie dawki promieniowania oraz dawkę potencjalnie śmiertelną. Przeprowadzone w tym celu badanie obejmowało analizę ekspresji zewnątrzkomórkowych mikroRNA u ludzi poddawanych napromienieniu całego ciała dawką 2 Gy lub 12 Gy w trakcie procedury przygotowania do przeszczepu szpiku. Łącznie badania objęły 45 pacjentów. Publikacja opisująca efektywność testu jest w chwili obecnej przygotowywana i zostanie wysłana do czasopisma “Science Translational Medicine” po przeprowadzeniu procedury zgłoszenia patentowego przygotowanego wspólnie przez Uniwersytet Medyczny w Łodzi i Dana-Farber Cancer Institute.

Cykl wyszczególnionych 5 publikacji o łącznym współczynniku Impact Factor 46.695 przedstawia klasyczne podejście translacyjne, w którym badania laboratoryjne są eskalowane i rozwijane poprzez szereg coraz bliższych ludziom etapów badawczych, tak by na końcu procesu uzyskać narzędzie pozwalające na rozwiązanie problemu ważnego dla ludzi.

Prof. Fendler wyjaśnił, że w omawianym przypadku jest to triage pacjentów potencjalnie narażonych na wysokie dawki promieniowania pod kątem optymalizacji form leczenia lub też badania długofalowe nad kumulatywnym efektem promieniowania przyjętego przez pracowników ochrony zdrowia narażonych zawodowo na ten szkodliwy czynnik. Aby zweryfikować funkcjonalne znaczenie mikroRNA zidentyfikowanych w ramach powyższych prac, prof. Fendler rozpoczął w marcu 2020 roku grant OPUS, na który uzyskał finansowanie z Narodowego Centrum Nauki.

PRZECZYTAJ TAKŻE: Złoty Skalpel 2020 - poznaj laureatów konkursu!

Przypisy:

1. Serum microRNAs are early indicators of survival after radiation-induced hematopoietic injury. Acharya SS, Fendler W, Watson J, Hamilton A, Pan Y, Gaudiano E, Moskwa P, Bhanja P, Saha S, Guha C, Parmar K, Chowdhury D. Sci Transl Med. 2015 May 13;7(287):287ra69. doi: 10.1126/scitranslmed.aaa6593.PMID: 25972001 (IF 16,304, MNISW 200)

2. Evolutionarily conserved serum microRNAs predict radiation-induced fatality in nonhuman primates. Fendler W, Malachowska B, Meghani K, Konstantinopoulos PA, Guha C, Singh VK, Chowdhury D. Sci Transl Med. 2017 Mar 1;9(379):eaal2408. doi: 10.1126/scitranslmed.aal2408.PMID: 28251902 (IF 16,304, MNISW 200)

3. Circulating miR-29a and miR-150 correlate with delivered dose during thoracic radiation therapy for non-small cell lung cancer. Dinh TK, Fendler W, Chałubińska-Fendler J, Acharya SS, O'Leary C, Deraska PV, D'Andrea AD, Chowdhury D, Kozono D. Radiat Oncol. 2016 Apr 27;11:61. doi: 10.1186/s13014-016-0636-4.PMID: 27117590 (IF 2,817, MNISW 100)

4. Potential of serum microRNAs as biomarkers of radiation injury and tools for individualization of radiotherapy. Tomasik B, Chałubińska-Fendler J, Chowdhury D, Fendler W. Transl Res. 2018 Nov;201:71-83. doi: 10.1016/j.trsl.2018.06.001. Epub 2018 Jun 19.PMID: 30021695 (IF 5,411, MNISW 140)

5. Circulating microRNAs as Biomarkers of Radiation Exposure: A Systematic Review and Meta-Analysis. Małachowska B, Tomasik B, Stawiski K, Kulkarni S, Guha C, Chowdhury D, Fendler W. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2020 Feb 1;106(2):390-402. doi: 10.1016/j.ijrobp.2019.10.028. Epub 2019 Oct 23.PMID: 31655196 (IF 5,859, MNISW 140)

Źródło: Puls Medycyny

× Strona korzysta z plików cookies w celu realizacji usług i zgodnie z Polityką Plików Cookies. Możesz określić warunki przechowywania lub dostępu do plików cookies w Twojej przeglądarce.